JP2001190916A - ハニカム構造体 - Google Patents

ハニカム構造体

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JP2001190916A
JP2001190916A JP2000005063A JP2000005063A JP2001190916A JP 2001190916 A JP2001190916 A JP 2001190916A JP 2000005063 A JP2000005063 A JP 2000005063A JP 2000005063 A JP2000005063 A JP 2000005063A JP 2001190916 A JP2001190916 A JP 2001190916A
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honeycomb
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Yukio Miyairi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用時における熱応力の発生が小さく、クラ
ックが発生しない耐久性を有し、中央部と外周部の温度
差が生じにくく、かつ流体の圧力損失が小さく、再生処
理時の昇温に必要な時間、エネルギーの小さいハニカム
構造体を提供する。 【解決手段】 隔壁により仕切られた軸方向に貫通する
多数の流通孔を有し、流通孔の隔壁が濾過能を有し、所
定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔
については他方の端部を封じてなる２個以上のハニカム
セグメント１１と、２個以上のハニカムセグメント１１
の間を接合する接合層１２とからなるハニカム構造体１
０である。接合層１２材質のヤング率がハニカムセグメ
ント１１材質のヤング率の２０％以下であること、又
は、接合層１２の材料強度がハニカムセグメント１１の
材料強度より小さいことのうち、少なくともいずれか一
方を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、内燃機関等の熱
機関又はボイラー等の燃焼装置において排出される粒子
状物質を捕集除去するフィルタとして用いられるハニカ
ム構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】 従来、ディーゼルエンジン等から排出
される排気ガスのような含塵流体中に含まれる粒子状物
質を捕集除去する方法として、流通孔の隔壁が濾過能を
有し、所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余
の流通孔については他方の端部を封じてなるハニカム構
造体を用いることが知られている。
【０００３】 このようなハニカム構造体が排気中の粒
子状物質を捕集するフィルターとして用いられる場合に
は、溜まったカーボン微粒子を燃焼させて除去するとい
う再生処理を行うことが必要であり、この際に局所的な
高温化が避けられないため、大きな熱応力が発生し易
く、クラックが発生し易いという問題があった。
【０００４】 このような構造部品に発生する熱応力を
低減する方策として、その構造部品をより小さなセグメ
ントに分割する方法が知られており、これを排気ガス中
の微粒子捕集用のハニカム構造体に適用する提案は、既
に、例えば特開平6-241017号公報、特開平8-28246号公
報、特開平7-54643号公報、特開平8-28248号公報等にお
いてなされている。
【０００５】 しかしながら、上記の提案で示された例
によっても、セグメント表面の応力低減効果が不十分で
あり、クラック発生の問題は完全には解決できなかっ
た。また、使用中、セグメント間に軸方向のずれが生じ
る問題があり、軸方向のずれを防止する保持部材を用い
る方法が特開平6-241017号公報で提案されているが、排
気ガスの高温に晒された際の保持部材の変形と劣化の問
題があった。
【０００６】 熱応力を低減する他の方策として、ハニ
カム構造体内の温度分布を均一化すべく、セグメント間
に電気ヒータを設置して、相対的に低温になり易い部位
を電気加熱する方法も提案されているが、電気ヒータ近
傍ではむしろ、局所的な温度勾配が大きくなることによ
る新たな熱応力発生の問題があった。また、セグメント
間の接合層が断面に占める割合が大きすぎ、流体の圧力
損失が過大になり、エンジン性能を悪化させる問題や、
熱容量が大きくなりすぎ、カーボン微粒子を燃焼除去さ
せる再生処理において昇温に時間がかかり、再生処理に
必要な時間が長くなってしまう問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】 本発明はこのような
従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とす
るところは、使用時における熱応力の発生が小さく、ク
ラックが発生しない耐久性を有し、中央部と外周部の温
度差が生じにくく、かつ、流体の圧力損失が小さく、再
生処理時の昇温に必要な時間、エネルギーの小さいハニ
カム構造体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明によ
れば、隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流
通孔を有し、該流通孔の隔壁が濾過能を有し、所定の流
通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔につい
ては他方の端部を封じてなる２個以上のハニカムセグメ
ントと、該２個以上のハニカムセグメント間を接合する
接合層とからなるハニカム構造体において、該接合層材
質のヤング率が該ハニカムセグメント材質のヤング率の
２０％以下であること、又は、該接合層の材料強度が該
ハニカムセグメントの材料強度より小さいことのうち、
少なくともいずれか一方を満足することを特徴とするハ
ニカム構造体が提供される。
【０００９】 本発明においては、接合層に接するハニ
カムセグメント表面の内少なくとも３０％以上の面積を
占める部分の平均的な表面粗さがＲａ０．４ミクロンを
超えることが好ましく、また、ハニカム構造体を構成す
る全てのハニカムセグメントの総熱容量に対する、ハニ
カム構造体内の全ての接合層の総熱容量の比率が３０％
以下であることが好ましい。さらに、本発明のハニカム
構造体においては、その流通孔に直交する断面における
ハニカムセグメント断面形状の角部が曲率半径０．３ｍ
ｍ以上で丸められているか、または０．５ｍｍ以上の面
取りがされていることが好ましい。
【００１０】 また、ハニカム構造体の流通孔に直交す
る断面におけるハニカム構造体断面積に占める接合層総
断面積の比率が１７％以下であることが好ましく、さら
には、ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構造
体断面における隔壁断面積の総和に対する接合層断面積
の総和の比率が５０％以下であることが好ましい。さら
にまた、ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構
造体断面内において、隔壁断面積に対する接合層断面積
の比率が中央で大きく、外周側で小さくなっていること
が好ましい。
【００１１】 上記ハニカムセグメントの材質として
は、強度、耐熱性等の観点から、コージェライト、Ｓｉ
Ｃ、ＳｉＮ、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミニ
ウムシリケート（ＬＡＳ）からなる群より選ばれた１種
を主結晶相とすることが好ましい。また、前記ハニカム
セグメントには、触媒能を有する金属を担持し、熱機関
若しくは燃焼装置の排気ガスの浄化、又は液体燃料若し
くは気体燃料の改質に用いられるようにすることが好ま
しい。触媒能を有する金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲ
ｈのうちの少なくとも１種であることが好ましい。さら
に、ハニカムセグメントの流通孔の断面形状は、製作上
の観点から、三角形、四角形及び六角形のうちのいずれ
かであることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】 以下、本発明を図面に示す実施
形態に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの
実施形態に限定されるものではない。図１(a)(b)(c)(d)
は本発明に係るハニカム構造体のハニカムセグメントの
各種分割パターンを示す説明図である。図１(a)(b)(c)
(d)において、１０はハニカム構造体であり、ハニカム
構造体１０は、２個以上のハニカムセグメント１１と、
これらのハニカムセグメント１１間を接合する接合層１
２とからなっている。なお、詳しくは図示しないが、ハ
ニカムセグメント１１は、図２のように、隔壁１４によ
り仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔１５を有
し、流通孔１５の隔壁１４が濾過能を有し、所定の流通
孔１５については一方の端部を封じ、残余の流通孔１５
については他方の端部を封じた構成を有しているもので
ある。
【００１３】 本発明のハニカム構造体においては、接
合層１２を構成する材質のヤング率を、ハニカムセグメ
ント１１を構成する材質のヤング率の２０％以下、より
好ましくは１％以下とするか、あるいは、接合層１２の
材料強度を、ハニカムセグメント１１の材料強度より小
さくしている。このように、接合層１２とハニカムセグ
メント１１の材質のヤング率を規定することにより、使
用時における熱応力の発生が小さくて、クラックが発生
しないような耐久性を有するハニカム構造体とすること
ができる。また、接合層１２のヤング率がハニカムセグ
メント１１のヤング率の２０％を超える場合でも、接合
層１２の材料強度がハニカムセグメント１１の材料強度
より小さければ、接合層１２のみにクラックが生じ、ハ
ニカムセグメント１１にはダメージがないため、ハニカ
ム構造体としては十分に機能を維持することができる。
ここで、接合層１２のヤング率、ハニカムセグメント１
１のヤング率はそれぞれ材料自体のヤング率を指し、材
料固有の物性を指すものである。また、「接合層の材料
強度がハニカムセグメントの材料強度より小さい」とい
うことの定義について、図５及び図６を用いて説明す
る。すなわち、図５に示すような、本発明のハニカム構
造体より切り出したテストピース２０を準備する。な
お、テストピース２０は流通孔に直角方向の長さが４０
ｍｍ以上で、その中央部に接合層１２が位置するように
切断する。本発明では、このテストピース２０を、図６
のような４点曲げ試験（ＪＩＳ Ｒ１６０１に準ずる）
において、接合層１２内部、あるいは接合層１２とハニ
カムセグメント１１の界面で破壊する確率が５０％以上
であることを、上記の「接合層の材料強度がハニカムセ
グメントの材料強度より小さい」と定義する。
【００１４】 また、このハニカム構造体では、接合層
１２に接するハニカムセグメント１１の表面の内で少な
くとも３０％以上の面積を占める部分の平均的な表面粗
さがＲａ０．４ミクロンを超えることが好ましい。これ
により、２個以上のハニカムセグメント１１間の接合が
より強固になり、使用時に剥がれるおそれを殆どなくす
ることをできる。上記の表面粗さＲａは、０．８ミクロ
ン以上が更に好ましい。また、ハニカム構造体を構成す
る全てのハニカムセグメントの総熱容量に対する、ハニ
カム構造体内の全ての接合層の総熱容量の比率を３０％
以下、より望ましくは１５％以下とすることにより、再
生時に捕集したカーボン微粒子を燃焼処理する際（フィ
ルタ再生）、昇温にかかる時間を許容範囲内に小さく抑
えることができ、好ましい。
【００１５】 さらに、本発明のハニカム構造体におい
ては、ハニカム構造体の流通孔に直交する断面における
ハニカムセグメント断面形状の角部が曲率半径０．３ｍ
ｍ以上で丸められているか、または０．５ｍｍ以上の面
取りがされていることが、使用時における熱応力の発生
を小さくし、ハニカム構造体にクラックが発生しないよ
うな大きな耐久性を付与することができるため、好まし
い。
【００１６】 さらにまた、本発明では、ハニカム構造
体の流通孔に直交する断面におけるハニカム構造体断面
積に占める接合層総断面積の比率が１７％以下であるこ
とが好ましく、８％以下であることがより好ましい。こ
れを図３を用いて説明すると、直径Ｄの断面が円形のハ
ニカム構造体１０において、ハニカム構造体１０の総断
面積ＳHは、 ＳH＝（π／４）×Ｄ2 となり、一方、接合層１２の総断面積ＳSは、図３の斜
線部分Ａ（接合層１２の断面部）の総面積となる。ここ
で、ＳS／ＳHが１７％以下であることが、流体の圧力損
失低減の観点から好ましい。
【００１７】 また、本発明においては、ハニカム構造
体の流通孔に直交するハニカム構造体断面における隔壁
断面積の総和に対する接合層断面積の総和の比率が５０
％以下であることが好ましく、２４％以下であることが
さらに好ましい。これを図４を用いて説明すると、ハニ
カム構造体１０の断面における接合層１２の断面積（斜
線部分Ｂ）の総和をＳSとし、隔壁１４の断面積（網目
部分Ｃ）の総和をＳCとすると、ＳS／ＳCが５０％以下
であることが、流体の圧力損失低減の観点から好まし
い。
【００１８】 さらに、本発明では、ハニカム構造体の
流通孔に直交するハニカム構造体断面内において、隔壁
断面積に対する接合層断面積の比率が中央部で大きく、
外周側で小さくなっていることが好ましい。このような
構成とすると、中央付近での単位体積当たりのカーボン
微粒子捕集量が外周近傍よりも少なくなり、カーボン微
粒子を燃焼させる再生処理時（再生燃焼時）において、
高温となりやすい中央近傍での発熱量を低く抑えられ、
しかも中央近傍で接合層が密になっているため、その部
分での熱容量を大きくできることからも、中央近傍での
温度上昇を低く抑えられる。その結果、中央部と外周側
の温度差を低減することができ、ハニカム構造体におけ
る熱応力を低減することができ、好ましい。
【００１９】 本発明において、ハニカム構造体の流通
孔に直交する断面の断面形状は、円、楕円、レーストラ
ックなど、各種の形状を取り得る。また、本発明のハニ
カム構造体を構成するハニカムセグメントは、強度、耐
熱性等の観点から、コージェライト、ＳｉＣ、ＳｉＮ、
アルミナ、ムライト及びリチウムアルミニウムシリケー
ト（ＬＡＳ）からなる群より選ばれた１種を主結晶相と
するものであることが好ましく、熱伝導率の高いＳｉＣ
は、被熱を放熱しやすいという点で特に好ましい。
【００２０】 ハニカムセグメントのセル密度は、６〜
１５００セル／平方インチ（０．９〜２３３セル／ｃｍ
2）が好ましく、５０〜４００セル／平方インチ（７．
８〜６２セル／ｃｍ2）が更に好ましい。セル密度が６
セル／平方インチ未満になると、ハニカムセグメントと
しての強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）が不足
し、１５００セル／平方インチを超えると、ガスが流れ
る場合の圧力損失が大きくなる。また、ハニカム構造体
における流通孔の断面形状（セル形状）は、製作上の観
点から、三角形、四角形及び六角形のうちのいずれかで
あることが好ましい。
【００２１】 また、各ハニカムセグメント間を接合す
る接合層の材質としては、耐熱性を有するセラミックス
ファイバー、セラミックス粉、セメント等を単独で、あ
るいは混合して用いることが好ましく、更に必要に応じ
て有機バインダー、無機バインダー等を混合して用いて
もよいが、これらに限られるものではない。
【００２２】 本発明のハニカム構造体は、前記したよ
うに、隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流
通孔を有し、該流通孔の隔壁が濾過能を有し、所定の流
通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔につい
ては他方の端部を封じてなる構造を有するものであるの
で、ディーゼルエンジン用パティキュレートフィルター
のような、含塵流体中に含まれる粒子状物質を捕集除去
するためのフィルターに好適に用いることができる。
【００２３】 すなわち、このような構造を有するハニ
カム構造体の一端面より含塵流体を通気させると、含塵
流体は、当該一端面側の端部が封じられていない流通孔
よりハニカム構造体内部に流入し、濾過能を有する多孔
質の隔壁を通過して、ハニカム構造体の他端面側が封じ
られていない他の流通孔に入る。そして、この隔壁を通
過する際に含塵流体中の粒子状物質が隔壁に捕捉され、
粒子状物質を除去された浄化後の流体がハニカム構造体
の他端面より排出される。
【００２４】 なお、捕捉された粒子状物質が隔壁上に
堆積してくると、目詰まりを起こしてフィルターとして
の機能が低下するので、定期的にヒーター等の加熱手段
でハニカム構造体を加熱することにより、粒子状物質を
燃焼除去し、フィルター機能を再生させるようにする。
この再生時の粒子状物質を燃焼を促進するために、ハニ
カムセグメントに後述のごとき触媒能を有する金属を担
持させてもよい。
【００２５】 一方、本発明のハニカム構造体を、触媒
担体として内燃機関等の熱機関の排気ガスの浄化、又は
液体燃料若しくは気体燃料の改質に用いようとする場
合、ハニカムセグメントに触媒能を有する金属を担持す
るようにする。触媒能を有する金属の代表的なものとし
ては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈが挙げられ、これらのうちの少
なくとも１種をハニカムセグメントに担持することが好
ましい。
【００２６】
【実施例】 以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。 （実施例１〜１０、比較例１）隔壁の厚さが０．３８ｍ
ｍ、セル密度が２００セル／平方インチ（３１セル／ｃ
ｍ2）、外周部厚さが０．５ｍｍのＳｉＣ製ハニカムセ
グメントを用い、接合層としてセラミックスファイバ
ー、セラミックス粉、有機及び無機バインダーの混合物
を用いて、種々の分割構造を有する、寸法がφ１４４ｍ
ｍ×１５３ｍｍのハニカム構造体を作製した。得られた
ハニカム構造体の分割構造、材質のヤング率などの特性
を表１に示す。また、表１中の表面粗さは、接合層に接
するハニカムセグメントの表面全体の平均的な表面粗さ
を示す。
【００２７】 このハニカム構造体は、所定の流通孔に
ついては一方の端部を封じ、残余の流通孔については他
方の端部を封じてなる構造のディーゼルエンジン排気浄
化パーティキュレートフィルタであり、このハニカム構
造体について、流体の圧力損失試験、及び再生試験を行
った。その結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】（評価）表１の結果から明らかなように、
本発明で規定する要件を満足する場合には、流体の圧力
損失もそれほど大きくならず、許容範囲（１０ｋＰａ）
内であり、再生時間も許容範囲（１５ｍｉｎ）内であっ
た。
【００３０】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明のハニカ
ム構造体によれば、使用時において熱応力の発生が小さ
く、クラックが発生しない耐久性を有するとともに、中
央部と外周部の温度差が生じにくく、しかも流体の圧力
損失が小さいという顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るハニカム構造体のハニカムセグ
メントの各種分割パターン(a)(b)(c)(d)を示す説明図で
ある。
【図２】 ハニカム構造体のセル構造を示す一部拡大図
である。
【図３】 ハニカム構造体の一例を示す断面説明図であ
る。
【図４】 ハニカム構造体のセル構造と接合層を示す一
部拡大図である。
【図５】 ハニカム構造体から切り出されたテストピー
スの一例を示す斜視図である。
【図６】 ４点曲げ試験の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ハニカム構造体、１１…ハニカムセグメント、１
２…接合層、１４…隔壁、１５…流通孔、２０…テスト
ピース。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１ Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢＣ Ｆターム(参考） 4D048 AA14 BA03Y BA06X BA06Y BA10Y BA14Y BA30Y BA31Y BA33Y BA41Y BA42Y BA45X BA46Y BB02 BD04 CC38 4D058 JA32 JB06 JB22 KA12 MA41 SA08 TA06 4G069 AA01 AA03 AA08 BA01A BA02A BA03A BA13A BA15A BB06A BB11A BB15A BB15B BC04A BC10A BD05A BD05B CA03 CA07 CA18 DA06 EA18 ED05 ED06

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 隔壁により仕切られた軸方向に貫通する
    多数の流通孔を有し、該流通孔の隔壁が濾過能を有し、
    所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通
    孔については他方の端部を封じてなる２個以上のハニカ
    ムセグメントと、該２個以上のハニカムセグメント間を
    接合する接合層とからなるハニカム構造体において、 該接合層材質のヤング率が該ハニカムセグメント材質の
    ヤング率の２０％以下であること、又は、該接合層の材
    料強度が該ハニカムセグメントの材料強度より小さいこ
    とのうち、少なくともいずれか一方を満足することを特
    徴とするハニカム構造体。
  2. 【請求項２】 接合層に接するハニカムセグメント表面
    の内少なくとも３０％以上の面積を占める部分の平均的
    な表面粗さがＲａ０．４ミクロンを超えることを特徴と
    する請求項１記載のハニカム構造体。
  3. 【請求項３】 ハニカム構造体を構成する全てのハニカ
    ムセグメントの総熱容量に対する、ハニカム構造体内の
    全ての接合層の総熱容量の比率が３０％以下であること
    を特徴とする請求項１又は２記載のハニカム構造体。
  4. 【請求項４】 ハニカム構造体の流通孔に直交する断面
    におけるハニカムセグメント断面形状の角部が曲率半径
    ０．３ｍｍ以上で丸められているか、または０．５ｍｍ
    以上の面取りがされていることを特徴とする請求項１〜
    ３のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
  5. 【請求項５】 ハニカム構造体の流通孔に直交する断面
    におけるハニカム構造体断面積に占める接合層総断面積
    の比率が１７％以下であることを特徴とする請求項１〜
    ４のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
  6. 【請求項６】 ハニカム構造体の流通孔に直交するハニ
    カム構造体断面における隔壁断面積の総和に対する接合
    層断面積の総和の比率が５０％以下であることを特徴と
    する請求項１〜５のいずれか１項に記載のハニカム構造
    体。
  7. 【請求項７】 前記ハニカムセグメントが、コージェラ
    イト、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、ムライト及びリチウ
    ムアルミニウムシリケート（ＬＡＳ）からなる群より選
    ばれた１種を主結晶相とする請求項１〜６のいずれか１
    項に記載のハニカム構造体。
  8. 【請求項８】 前記ハニカムセグメントに触媒能を有す
    る金属を担持し、熱機関若しくは燃焼装置の排気ガスの
    浄化、又は液体燃料若しくは気体燃料の改質に用いられ
    るようにした請求項１〜７のいずれか１項に記載のハニ
    カム構造体。
  9. 【請求項９】 前記触媒能を有する金属が、Ｐｔ、Ｐｄ
    及びＲｈのうちの少なくとも１種である請求項８記載の
    ハニカム構造体。
  10. 【請求項１０】 前記ハニカムセグメントの前記流通孔
    の断面形状が、三角形、四角形及び六角形のうちのいず
    れかである請求項１〜９のいずれか１項に記載のハニカ
    ム構造体。
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